CN110470534A - 一种无需追踪裂纹的复合材料层间i型断裂韧性测试方法 - Google Patents

一种无需追踪裂纹的复合材料层间i型断裂韧性测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于复合材料力学性能测试技术领域，涉及一种无需追踪裂纹的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，本发明的测试方法基于I型层间断裂韧性计算的修正梁理论，利用分层长度和DCB试验件柔度的内在力学关系，建立了关于DCB试验件实时柔度的分层长度表达式和断裂韧性表达式；避免了分层测试中需要追踪层间裂纹，并实时记录当前载荷下分层长度的难题；适用于连续纤维增强聚合物基复合材料层板I型层间断裂韧性的测试，操作流程简单，便于实现工程应用；特别适用于连续纤维增强聚合物基复合材料层板，例如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等连续纤维增强的聚合物基复合材料。

Description

一种无需追踪裂纹的复合材料层间I型断裂韧性测试方法
技术领域
本发明属于复合材料力学性能测试技术领域，涉及一种无需追踪裂纹的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，特别适用于连续纤维增强聚合物基复合材料层板，例如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等连续纤维增强的聚合物基复合材料。
背景技术
连续纤维增强复合材料具有高比强度、比刚度，可实现结构的显著减重，现已在航空航天飞行器的主承力结构上得到广泛应用。在飞机结构上，复合材料多以层板形式存在，层板结构具有容易产生层间裂纹即发生分层的缺点。分层一旦出现，复合材料结构的完整将遭受严重损害，并可能导致复合材料结构的最终失效。因此，层间分层是复合材料结构设计特别关注的问题，而作为表征复合材料抗分层扩展能力指标的层间断裂韧性是复合材料结构设计必需的力学性能参数，也是复合材料结构损伤预测重要的输入参数。根据载荷形式，复合材料分层可I型(张开型)，II型(剪切型)，III型(撕开型)，以及混合型。其中，I型分层是最基本、最危险的一种分层模式，I型层间断裂韧度的测试在工程实际中具有迫切需求。为此，国内外针对复合材料I型层间断裂韧性的测试，建立了相关测试标准，例如ISO15024、ASTM 5228、JIS K 7086(日本国家标准)、HB-7402(中国航空工业标准)、GB-28891(中国国家标准)，等。这些标准无一例外地采用双悬臂梁(DCB)的试验件形式，并且这些试验方法都需要对分层扩展试验过程中的层间裂纹进行追踪，以便实时地对分层长度进行监测、记录，并且需要将分层长度与载荷、位移对应起来。这对试验设备提出较高要求，而且往往需要两个测试人员配合方能完成。测试前还往往要在试验件侧面涂修改液并画刻度线，以便在测试中读取分层长度。另外，对聚合物基复合材料来说，其层间断裂韧性通常受服役环境的影响。为了获得复合材料在高低温环境下的断裂韧性，分层测试需要在环境箱中进行，由于环境箱的视窗尺寸有限，此时精确地观测试验过程中的分层长度很难实现。可见，若在复合材料I型分层测试中能够避免对分层的追踪和分层长度的实时监测，不仅可以大大简化试验测试程序，还能解决高、低温环境下聚合物基复合材料I型层间断裂韧性的测试难题。
发明内容
本发明的目的是：提供了一种无需追踪裂纹的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，以解决DCB试验中分层扩展长度实时观测存在费时费人力，以及在低温下不易观测的技术问题。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一种无需追踪裂纹的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，所述的测试方法基于I型层间断裂韧性计算的修正梁理论，利用分层长度和DCB试验件柔度的内在力学关系，建立了关于DCB试验件实时柔度的分层长度表达式，如下：
式中，a是分层长度，a0是初始分层长度，Δ是分层长度修正值；C0是分层起始时的柔度，a1是试验结束时的分层长度，C1是试验结束时的柔度。
所述的的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，所述的分层起始时的柔度C0计算公式如下：
C0＝d0/P0；式中，P0和d0是分层起始时的载荷和位移；
试验结束时的柔度C1计算公式如下：
C1＝d1/P1；式中，P1和d1是分层试验结束时的载荷和位移；
断裂韧性值GIC公式如下：
式中，a0是初始分层长度，P、d是载荷、位移数据，B是DCB试验件的宽度，C是测试过程中的变化的柔度，通过C＝d/P计算。
所述的测试方法包含以下步骤：
步骤一、制备复合材料0°单向板的双悬臂梁DCB试验件；
步骤二、将DCB试验件装载到试验机上；对DCB试验件进行预加载，使其刚好开裂后卸载，取下DCB试验件，标记此时分层末端的位置，记录初始分层长度a0；
步骤三、将DCB试验件重新装载到试验机上，以固定的位移速率对DCB试验件进行加载，密切关注加载初期载荷位移曲线的变化，当分层起始时载荷-位移曲线会明显偏离线性段，记录分层起始时的载荷P0和位移d0；
步骤四、继续以不变的位移速率对DCB试验件加载，记录试验过程中载荷-位移数据，当记录的载荷-位移数据对个数满足计算要求时，分层扩展到一定长度，停止试验，并取下试验件；
步骤五、将卸载后闭合的DCB试验件重新张开，在放大镜下识别此时分层尖端的位置，标记该分层尖端即裂纹尖端，测量并记录此时的分层长度a1；
步骤六、根据公式(2)，利用分层起始和试验结束时的载荷、位移和分层长度计算分层长度修正值Δ；
步骤七、对试验过程中记录的分层起始后的载荷-位移数据进行筛选，每隔若干对数据取一个数据对，得到一组载荷-位移数据，然后利用这组载荷-位移数据，根据公式(3)，计算分层扩展过程中的断裂韧性值GIC；
步骤八、根据公式(1)，估算每一对载荷-位移数据点下对应的分层长度a；
步骤九、将计算得到的断裂韧性值GIC和分层长度a对应起来，得到复合材料I型分层扩展过程中的R曲线。
优选地，步骤一中所述DCB试验件根据根据ASTM D 5528-13设计。
优选地，步骤二中所述DCB试验件通过铰链式夹具装载到试验机上。
优选地，步骤三中所述DCB试验件采用位移型模式进行加载测试。
优选地，步骤五中使用楔形块使所述DCB试验件重新张开。
本发明的有益效果是：
1、本发明的无需追踪裂纹的复合材料层间I型断裂韧性测试方法基于I型断裂韧性计算的修正梁理论，建立了分层长度和层间断裂韧度与试验件实时柔度(位移与载荷之比)的关系式，避免了分层测试中需要追踪层间裂纹，并实时记录当前载荷下分层长度的难题。
2、本发明的无需追踪裂纹的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，可节省测试成本，省去对试验件侧面涂修改液和画刻度线的工作量，并将测试人员由两名降低为一名。
3、本发明的无需追踪裂纹的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，可解决高、低温环境下由于分层长度难观测而无法获得复合材料I型层间断裂韧度的问题，特别是低温环境下环境箱视窗易结冰不容易观测裂纹的问题。
4、本发明的无需追踪裂纹的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，适用于连续纤维增强聚合物基复合材料层板I型层间断裂韧性的测试，操作流程简单，便于实现工程应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的实现流程图；
图2是玻璃纤维增强0°单向板DCB试验件的构型和几何尺寸，单位：mm；
图3是用于DCB试验件测试的铰链式夹具；
图4是I型分层测试过程中记录的载荷-位移曲线；
图5是采用本发明方法和传统依赖分层长度观测的方法获得的复合材料I型分层R曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。以下以一个玻璃纤维增强0°单向板DCB试验件I型层间断裂韧性测试的实例对本发明的具体实施方式作进一步阐述。
几何描述：
玻璃纤维增强DCB试验件的构型和几何尺寸如图2所示。DCB试验件的上臂和下臂均为铺层顺序为[0°]10的复合材料0°单向板，其中每个复合材料单层平均厚度为0.225mm，故DCB试验件的名义厚度h为4.5mm。DCB试验件的长度L为125mm，试验件的宽度B为25mm。在试验件层板的铺层阶段，将一层长度LF为65mm的聚四氟乙烯薄膜，嵌入上、下两臂层板相邻的两个铺层之间，获得长为65mm的预制分层长度。在试验件的侧面涂修改液，并从分层末端处开始画刻度线，每隔1mm画一个刻度线。
为了开展I型分层扩展试验，使用ASTM D 5528-13推荐使用的一种铰链式夹具，如图3所示，将试验件装载于Instron 8802伺服液压试验机上。
为研究本发明提出方法的有效性，同时采用传统的观测分层长度的和本文提出的一种无需追踪裂纹的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，最终对比本文提出方法计算得到的断裂韧性GIC和分层长度与传统方法观测结果的差异。
利用本发明所述的方法对上述DCB试验件中I型层间断裂韧性进行测试的步骤为：
1、根据ASTM D 5528-13设计，并制备得到复合材料0°单向板的双悬臂梁(以下简称DCB)试验件。
2、预埋薄膜的末端可能会有树脂富集，导致分层从预埋薄膜末端的断裂韧度值通常不作为有效的试验数据。因此，正式试验前，首先需要对试验件进行预开裂试验。使用ASTM D 5528-13推荐的铰链式夹具，将DCB试验件装载到试验机上。对DCB试验件进行预加载，使其刚好开裂后卸载，取下试验件，标记此时分层末端的位置，记录初始分层长度a0＝72mm。
3、将DCB试验件重新装载到试验机上，采用位移型模式进行测试，以固定的速率(1mm/min)对试验件进行加载，密切关注加载初期载荷位移曲线的变化，当分层起始时载荷-位移曲线会明显偏离线性段，记录分层起始时的载荷P0＝51.44N和位移d0＝13.069mm。
4、继续以不变的位移速率对试验件加载，记录试验过程中载荷-位移数据，并同时观测并记录当前载荷下的分层长度，当分层扩展到一定长度时，停止试验，并取下试验件。
5、使用楔形块使卸载后闭合的DCB试验件重新张开，在放大镜下识别此时裂纹尖端的位置，标记该裂纹尖端，测量并记录此时的分层长度a1＝95mm，此时对应的载荷和位移分别为P1＝48.68N，d1＝25.583mm。
6、根据公式(1)，利用分层起始和试验结束时的载荷、位移和分层长度计算分层长度修正值Δ＝11.68mm。
其中，a1是试验结束时的分层长度；a0是初始分层长度；C0是分层起始时的柔度，利用C0＝d0/P0计算；C1是试验结束时时的柔度，利用C1＝d1/P1计算。其中，P0和d0是分层起始时的载荷和位移，P1和d1是分层试验结束时的载荷和位移。
7、对试验过程中记录的分层起始后的载荷-位移数据进行筛选，每隔若干对数据取一个数据对，得到一组载荷-位移数据，然后利用这组载荷-位移数据，根据公式(2)，计算分层扩展过程中的断裂韧性值GIC，计算的结果列于表1中。
其中，P、d是载荷、位移数据，B是DCB试验件的宽度，C是测试过程中的变化的柔度，利用C＝d/P计算。
8、根据公式(3)，估算每一对载荷-位移数据点下对应的分层长度a，计算结果见表1。
其中，a是每一对载荷、位移数据点下的对应的分层长度估算值。
9、将计算得到的断裂韧性值GIC和分层长度a对应起来，如表1所示，可绘制得到复合材料I型分层扩展过程中的R曲线，如图5所示。
10、使用传统的需要观测裂纹的方法，利用如公式(4)所示的基于修正梁理论推导得到的，并以载荷、位移、分层长度为变量表示的I型层间断裂韧性GIC计算公式。
对试验测得C1/3～a数据进行线性拟合，以拟合直线与x轴的截距的绝对值作为分层长度的修正量Δ，拟合结果表明Δ＝10.48mm。利用试验测得的载荷P、位移数据d和测试中实时观测的分层长度a，计算对应的I型层间断裂韧性值，计算结果列于表1中。将计算得到的断裂韧性值GIC和分层长度a对应起来，并绘制得到复合材料I型分层扩展过程中的R曲线，如图5所示。
表1为本发明方法和传统力学测试方法的结果比较，根据表1罗列的数据和图5所示的复合材料I型分层扩展过程中的R曲线，可知采用本发明方法提出的I型层间断裂韧性的计算公式计算得到的GIC与采用需要观测裂纹的传统方法计算得到GIC呈现很好的一致性，最大误差不超过1.5％，这个误差对于复合材料力学性能测试结果来说是非常小的。另外，本发明方法对分层长度的预估结果也与分层长度的实测结果保持很好的一致性。
表1
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无需追踪裂纹的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，所述的测试方法基于I型层间断裂韧性计算的修正梁理论，利用分层长度和DCB试验件柔度的内在力学关系，建立了关于DCB试验件实时柔度的分层长度表达式，如下：
式中，a是分层长度，a0是初始分层长度，Δ是分层长度修正值；C0是分层起始时的柔度，a1是试验结束时的分层长度，C1是试验结束时的柔度。
2.根据权利要求1所述的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，其特征在于：所述的分层起始时的柔度C0计算公式如下：
C0＝d0/P0；式中，P0和d0是分层起始时的载荷和位移；
试验结束时的柔度C1计算公式如下：
C1＝d1/P1；式中，P1和d1是分层试验结束时的载荷和位移。
3.根据权利要求1所述的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，其特征在于：所述I型层间断裂韧性值GIC公式如下：
式中，a0是初始分层长度，P、d是载荷、位移数据，B是DCB试验件的宽度，C是测试过程中的变化的柔度，通过C＝d/P计算。
4.根据权利要求1所述的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，其特征在于：所述的复合材料层间I型断裂韧性测试方法包含以下步骤：
步骤一、制备复合材料0°单向板的双悬臂梁DCB试验件；
步骤二、将DCB试验件装载到试验机上；对DCB试验件进行预加载，使其刚好开裂后卸载，取下DCB试验件，标记此时分层末端的位置，记录初始分层长度a0；
步骤三、将DCB试验件重新装载到试验机上，以固定的位移速率对DCB试验件进行加载，当分层起始时，记录分层起始时的载荷P0和位移d0；
步骤四、继续以不变的位移速率对DCB试验件加载，记录试验过程中载荷-位移数据，当记录的载荷-位移数据对个数满足计算要求时，停止试验，并取下试验件；
步骤五、将卸载后闭合的DCB试验件重新张开，在放大镜下识别此时分层尖端的位置，标记该分层尖端，测量并记录此时的分层长度a1；
步骤六、根据公式(2)，利用分层起始和试验结束时的载荷、位移和分层长度计算分层长度修正值Δ；
步骤七、对试验过程中记录的分层起始后的载荷-位移数据进行筛选，每隔若干对数据取一个数据对，得到一组载荷-位移数据，然后利用这组载荷-位移数据，根据公式(3)，计算分层扩展过程中的断裂韧性值GIC；
步骤八、根据公式(1)，估算每一对载荷-位移数据点下对应的分层长度a；
步骤九、将计算得到的断裂韧性值GIC和分层长度a对应起来，得到复合材料I型分层扩展过程中的R曲线。
5.根据权利要求4所述的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，其特征在于：步骤一中所述DCB试验件根据根据ASTM D 5528-13设计。
6.根据权利要求4所述的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，其特征在于：步骤二中所述DCB试验件通过铰链式夹具装载到试验机上。
7.根据权利要求4所述的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，其特征在于：步骤三中所述DCB试验件采用位移型模式进行加载测试。
8.根据权利要求4所述的复合材料层间I型断裂韧性测试方法，其特征在于：步骤五中使用楔形块使所述DCB试验件重新张开。
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